Wissenschafts-Freitag

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Auf den ersten Blick mag das Gefieder der Beryll-Tangare ein zartes, blasses Blau sein. Doch aus einem anderen Blickwinkel betrachtet, schimmert der südamerikanische Singvogel in einem elektrischen Türkis mit Goldschimmern. Dieses farbverändernde Phänomen ist als Irisieren bekannt.

„Ich habe viele wirklich schöne Vögel in schönen Bildern gesehen, aber ich habe gemerkt, dass man beim Fotografieren dieses wirklich sehr unheimliche Phänomen verpasst“, sagt Joshua Medina, ein 3D-Künstler und Spezialist für Digitalisierung am Moore Lab of Zoology am Occidental College in Los Angeles. „Und das ist etwas, das man nur in einem dreidimensionalen Modell nachbilden kann.“

Das Moore Lab ist eine Fundgrube von mehr als 65.000 Vogelexemplaren, die hauptsächlich in Mexiko und Südamerika zwischen 1933 und 1955 gesammelt wurden. Als technischer Künstler entwickelt Medina 3D-Modelle, damit Menschen die Farben, Muster und kniffligen visuellen Hinweise im Gefieder von Vögeln sehen können, die für Studienzwecke schwer zu visualisieren sind.

„Es ist, als hätte man das Exemplar direkt vor sich“, sagt John McCormack, Direktor und Kurator für Vögel und Säugetiere im Moore Lab. „Man kann ganz nah herangehen und den Vogel noch detaillierter sehen, als wenn man ihn mit dem bloßen Auge betrachtet.“

Medina verwendet eine 3D-Technik namens Photogrammetrie. Seine erste Einrichtung als Student befand sich in seinem Studentenwohnheim, wo er einen Drehtisch mit einem ausgestopften Vogelexemplar und einigen Schreibtischlampen verwendete. („Die Leute, die hereinkamen, müssen gedacht haben, dass es sehr unheimlich aussah.“) Mit dem manuellen „DJing“ des Tisches machte er Hunderte von digitalen Fotos aus verschiedenen Winkeln, während sich der Vogel drehte. Inzwischen hat er das DJing und den Schlafsaal aufgegeben und ist zu einem vollautomatischen Drehtisch übergegangen, der den Vogel mit jedem Klick der Kamera dreht. Ein einziges Modell kann aus bis zu 288 Fotos aus drei verschiedenen Blickwinkeln bestehen, die von selbstgebastelten Open-Source-Programmen verarbeitet werden.

„Es ist ziemlich wild“, sagt McCormack. „Man kann dieses 3D-Modell nehmen und es im Wesentlichen entpacken und zu einem Quadrat flach machen, das jedes einzelne pixelgroße Stück des gesamten Modells enthält.“ Ein Forscher könnte dann jede einzelne Farbe, die auf einem Vogelexemplar gefunden wurde, extrahieren und analysieren, was hilfreich sein könnte, um die Evolution der Gefiederfarben bei verschiedenen Vogelarten zu verfolgen.

Vögel haben Farben aus vielen verschiedenen Gründen. Ein rötliches, gesprenkeltes, braunes Gefieder könnte einen Vogel vor Raubtieren tarnen, während ein heller gefärbtes Gefieder den Vögeln helfen könnte, sich abzukühlen. Auffällige Farben wie das schillernde Gefieder an den Kehlen von Kolibris könnten eine auffällige Werbung für Partner sein.

„Das sind manchmal unglaublich komplizierte Displays mit allen Arten von Farben und Mustern, die ein weiblicher Vogel typischerweise sieht und verarbeitet und Entscheidungen über die Paarung trifft“, sagt McCormack. „

Das Sehen ist der wichtigste Sinn eines Vogels, erklärt McCormack, und um große Mengen an visuellen Informationen zu verarbeiten, haben Vögel große optische Lappen.

„Vor etwa 20 Jahren wurde es ziemlich bekannt, dass Vögel anders sehen als wir“, sagt Allison Shultz, Assistenzkuratorin für Ornithologie am Natural History Museum of Los Angeles County, die derzeit das Gefieder von Tangaren untersucht. „Sie haben im Vergleich zu uns eine Art von verbessertem Sehvermögen.“

Um Farben zu verarbeiten, haben Menschen drei Arten von Zapfen in ihren Augen, erklärt Shultz, oder Photorezeptoren, die für Rot, Grün und Blau empfindlich sind. Aber Vögel haben vier Zapfen – der vierte erweitert ihr Sehvermögen über unser visuelles Spektrum hinaus. Während Menschen Farben in Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometern sehen, tauchen Vögel in einen Teil des ultravioletten Spektrums ein und sehen 300 bis 700 Nanometer.

„Vögel können einige ultraviolette Farben sehen, die wir nicht einmal beschreiben können“, sagt McCormack. „Wir wissen nicht einmal, was diese Farben sind. Wir haben keine Worte für sie, weil wir sie nie sehen werden, aber Vögel sehen sie.“

Nicht nur, dass Vögel mehr Arten von Zapfen haben als Menschen, ihre Zapfenzellen sind auch präzise Farbfilter. Jede von ihnen hat kleine Öltröpfchen, die die Lichtmenge begrenzen, die auf jeden einzelnen Zapfen trifft, was es Vögeln ermöglicht, Unterschiede zwischen ähnlichen Farben zu unterscheiden, die vom menschlichen Auge unbemerkt bleiben, sagt Shultz.

Tangaren, eine Familie von Arten, die in ganz Mittel- und Südamerika leben, decken zum Beispiel fast das gesamte Farbspektrum ab, das man bei Vögeln sieht, sagt Shultz. Ursprünglich dachten die Forscher, dass 50 % der rund 370 Arten dichromatisch sind, also Männchen und Weibchen unterschiedliche Gefiederfarben haben. Als Shultz und ihr Kollege Kevin Burns jedoch die Farben anhand eines Modells für das Sehen von Vögeln maßen, schätzten sie, dass die Tangaren tatsächlich zu 93% dichromatisch sind.

„Es gibt eine Menge Variation, die wir mit unseren Augen übersehen“, sagt Shultz.

Shultz und McCormack entwickeln Methoden, mit denen Forscher sehen können, was Vögel sehen. Derzeitige Techniken erfordern ein Reflexionsspektrophotometer, ein Gerät, das eine faseroptische Sonde verwendet, die Impulse von Xenonlicht – Licht, das das gesamte Spektrum umfasst – auf ein Objekt sendet. Das zurückgeworfene Licht verrät den Forschern, welche Farben im Gefieder eines Vogels vorhanden sind, einschließlich der Merkmale des Vogels, die nur im ultravioletten Spektrum sichtbar sind. „Die Reflexionsspektrophotometrie ist großartig. Wir können dann das Modell des Vogel-Sehens auf diese Daten anwenden, aber es sind wirklich Punkte auf einem Vogel“, sagt Shultz – aber die punktgenaue Erfassung der Sonde verpasst größere Flecken von Mustern.

Deshalb arbeiten Shultz, McCormack und Medina daran, eine UV-Kamera einzurichten. „Es wird sehr wichtig sein, die Technik des Moore Labs sowohl mit einer UV-Kamera als auch mit einer Digitalkamera nutzen zu können, um uns ein Gefühl für die Musterung eines Vogels in einem 3D-Raum zu geben“, sagt Shultz.

Zurzeit sind alle Exemplare des Moore Labs online katalogisiert, aber nur wenige werden fotografiert und einige wertvolle Arten können nicht aus dem Labor entfernt werden. Das Team optimiert den Prozess, um die gesamte Sammlung in 3D zu digitalisieren, so dass Forscher auf der ganzen Welt auf die Vogelpräparate zugreifen und mit ihnen interagieren können. Die Menschen werden nicht nur in der Lage sein, die Farbe genau zu analysieren, sondern sie können auch Textur, Transparenz und reflektierende Oberflächen untersuchen, sagt Medina.

„Was interessant ist, ist, dass jede dieser Ebenen in der Wissenschaft und bei der Digitalisierung meist nur als Daten dargestellt wird“, sagt er. „Aber ich denke, wenn man diese Daten visualisiert, werden sie zu etwas, das viel greifbarer, künstlerischer und interessanter ist.“

Spezieller Dank geht an Joshua Medina und das Moore Lab für die Bereitstellung und Erstellung zusätzlicher 3D-Visualisierungen. Entdecken Sie weitere 3D-Vogelmodelle aus den Sammlungen des Moore Labs auf Medinas Sketchfab.